JP4817849B2 - 振れ補正装置および光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラ、カメラ等の光学機器に搭載され、像振れを補正する振れ補正装置および光学機器に関するものである。

ジャイロセンサ等のセンサにより機器の振れを検出して像振れを防止する、ビデオカメラに搭載される振れ補正装置としては、例えば特開２００３−２１９２６５号公報（特許文献１）に記載してあるように、電子式と光学式のものがある。

これらの振れ補正装置の性能の良し悪しの判断として、パンニング時の挙動を如何に自然に見せられるかが重要な要素となっている。パンニング制御に関しては、例えば特許文献１に同様に記載されているように、フィルタのカットオフ周波数を変更する方法がある。

ここで、電子式振れ補正と、パンニング処理に関して簡単に説明する。

図１０は、角速度センサにより振れを検出し、撮像素子から、必要な画素を切り出すことにより像振れ補正を行う振れ補正装置を搭載したビデオカメラ等の撮像装置の構成図である。

図１０において、１００１はレンズユニット、１００２は固体撮像素子（以下ＣＣＤという）である。電子式振れ補正では、ＣＣＤ１００２は、放送方式（例えばＮＴＳＣ方式）で必要とする標準のＣＣＤに比べ画素数の多いＣＣＤを用いる。１００３はＣＣＤ駆動回路であり、ＣＣＤ１００２を駆動し、また後述のマイクロコンピュータ１００９からの制御命令に従い、どのラインから最終的に出力するエリアを切り出すかを垂直同期方向に関して選択することができるよう工夫されている。

１００４はアナログ信号処理部であり、ＣＣＤ１００２で得られた信号に所定の処理を施し、アナログ撮像信号を生成する。１００５はＡ／Ｄ変換器を内蔵しているカメラ信号処理部であり、最終的な出力映像信号を生成する。１００６はラインメモリであり、メモリ制御回路１００７により、デジタル撮像信号を少なくとも１ライン分記憶することができる。さらに所定の位置（アドレス）から読み出すことが可能である。

なお、ラインメモリ１００６に記憶されるデジタル撮像信号は標準イメージサイズに比べ画素数が多いままである。メモリ制御回路１００７は後述のマイクロコンピュータ１００９からの制御命令に従い、ラインメモリ１００６から読み出す先頭の画素を選択することができ、標準イメージサイズ分だけ読み出すよう工夫されている。

さて、１０１は角速度センサであり、撮像装置の振れを検出する。振れの検出は、通常縦方向、横方向の２方向を検出するため、角速度センサ１０１も２つ使用するが、機能は全く同じであるため、ここでは１方向のみを記述している。１０２は高域通過フィルタ（以下ＨＰＦという）で、角速度センサ１０１出力の直流成分（以下ＤＣ成分という）のカットを行う。１０３はアンプであり、検出した角速度信号を増幅している。

１０４はマイコン１００９に内蔵されているＡ／Ｄ変換器であり、２方向の角速度信号はこの内蔵のＡ／Ｄ変換器１００４によりデジタル信号に変換され、角速度データとなる。そして、この角速度データは、ＨＰＦ１０５、位相補償フィルタ１０６により所定の信号処理を施され、さらにカットオフ周波数が変更できる可変ＨＰＦ７０１を通った後、積分器１０７により、縦方向、横方向の振れ補正信号を生成する。

１００８は補正系制御部であり、生成された振れ補正信号に関して、縦方向の振れ補正信号をＣＣＤ駆動回路１００３に、横方向の振れ補正信号をメモリ制御回路１００７に伝達する。先に述べたようにＣＣＤ駆動回路１００３、メモリ制御回路１００７はそれぞれ振れ補正信号に応じて切り出す位置を変更する。また、パンニング検出時は可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を変更する等の処理を行うことで、パンニング制御も行う。パンニング制御については後に説明する。

１００９はマイクロコンピュータであり、ＣＣＤ駆動回路１００３の制御、振れ補正制御等を行う。マイクロコンピュータ１００９は、積分器１０７により算出される振れ補正信号に基づき、ＣＣＤ駆動回路１００３、メモリ制御回路１００７を制御し、振れ補正動作を行う。

この一連の動作により、標準より大きな全イメージサイズから、標準イメージサイズを抜き出し、抜き出す位置を振れ補正信号に応じて制御することで手振れ等による像振れを補正することが可能となる。

次に、パンニング制御に関して説明する。撮影者が、パンニングやチルティングを行った場合は、撮影者が意図した通りに画が動くことが望ましい。しかし、パンニング時に、通常の振れ補正を行っていると、パンニング開始時は、補正されるために画が動かず、補正範囲を超えたときに、突然動き出し、画の動きに不連続感を与え、かつ、パンニング終了時には、補正端に張り付いたままとなり、振れ補正が行えないという状態になってしまう。この現象を回避するために行われるのがパンニング制御である。

パンニング制御の一例として、前述の積分器１０７の出力が、あらかじめ決められた補正量を超えたかどうかを、補正系制御部１００８により検出し、超えた場合には前述のカットオフ周波数が変更できる可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を、低域信号を除去するように変更し、補正量を制限する等が挙げられる。このパンニング制御により、パンニング中はパンニングによる機器の動きに対する補正を弱めることができ、撮影者の意図に近い動作を行うことができる。

ここでは、パンニング制御として、ＨＰＦカットオフ周波数を変更する方法を示したが、積分器１０７の積分定数を変更することによっても同様の制御が行える。

その他にも、特開平５−１４２６１５号公報（特許文献２）あるいは特開平１０−２８２５３６号公報（特許文献３）に記載されているように、ＤＣ成分を抽出して角速度センサ出力から減算する、また、パンニングにより発生するＤＣ成分と等価な量を予測して積分器出力から差し引く等の工夫がなされている。
特開２００３−２１９２６５号公報 特開平５−１４２６１５号公報 特開平１０−２８２５３６号公報

しかしながら、上記従来例におけるパンニング制御においては、以下の様な問題点がある。

振れ検出手段としてジャイロセンサを使用する場合、ジャイロセンサの出力を５０〜１００倍にアンプする必要がある。このような高ゲインのアンプ処理をするには、ＤＣ成分をカットしないと、アンプ出力が飽和してしまい、まともな信号が得られない。そのため、通常はカットオフ周波数が０．０５Ｈｚ以下のＨＰＦによりＤＣ成分をカットした後にアンプ処理を行う。図９は、等速でパンニングが行われたとした場合のジャイロ出力とアンプ出力を簡易的に示した図である。実際には、図９に示した波形に手振れの振動が重畳しているが、ここでは省略している。さて、前述のＨＰＦの時定数の影響により、アンプ出力は図９に示すように、時間が経つと中心値に近づいていく。さらに、図９に示したようにパンニング終了時は、ＨＰＦの時定数により変動した電圧が、中心値に対し逆方向に発生してしまう。

上記従来例において説明した、ＨＰＦのカットオフ周波数を高くしてパンニング制御を行う方法は、パンニングの終了を検出したら通常状態に戻す方式である。この方式で、パンニング終了と同時にカットオフを通常状態にすると、前述の反転出力のために、逆方向に補正を行ってしまう。そのために揺り戻し現象が発生し、画像が見にくいものとなる。これを回避するために、反転出力が発生している間はカットオフ周波数を上げたままにしておく必要がある。パンニング中のカットオフ周波数は２０Ｈｚ程度となる。そのため、パンニングが終了した後、ＨＰＦ出力が安定するまでカットオフ周波数を上げていると、パンニング自体は終了しているにもかかわらず、振れ補正機能が効き始めるまでに時間がかかるという問題がある。

また、パンニング中に発生するＤＣ成分を差し引く方法においても、差し引くべきデータが、本当にパンニングにより発生したＤＣ成分と等価であるかどうかを確かめる方法が無い。そのため、パンニング終了時の動きに揺り戻しが発生したり、意図したカメラ操作と違う動きをするなど、違和感のある画像になってしまうという問題が発生する。

さらに、他のより簡単な方法としては、図１０におけるＨＰＦ１０５のカットオフ周波数を高くする方法がある。ＨＰＦ１０５のカットオフ周波数は、通常０．１〜０．３Ｈｚ程度に設定されている。このカットオフ周波数を上げ、１．２〜２Ｈｚ程度にすると、パンニング時に発生するＤＣ成分が大きくならないようにできるため、パンニング後の挙動も改善される。しかし、この方法では、振れ補正自体の性能が劣化するため、動いていない被写体を撮影した時に、画の安定性が損なわれるという問題が生じる。

（本発明の目的）
本発明の目的は、通常動作時の画像の安定性を保ちながら、パンニング後の挙動を改善し、パンニング終了時にすぐに像振れ補正動作を開始することのできる振れ補正装置および光学機器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、撮像光学系によって結像された光学像のぶれを補正する振れ補正装置であって、振れを検出する振れ検出手段と、前記振れによる前記光学像のぶれを補正する振れ補正手段と、前記振れ検出手段の出力に基づいて第１の補正量を演算する演算手段と、前記振れ検出手段の出力に基づいて、直流成分を抽出する抽出手段と、前記演算手段の出力がパンニング検出基準値より大きいかを判定し、前記演算手段の出力がパンニング検出基準値より大きい場合は、前記第１の補正量に基づいて０より大きく１以下の範囲で減算係数を算出する算出手段と、前記直流成分に前記減算係数を乗算した減算量を算出し出力する乗算手段と、前記乗算手段によって乗算された減算量を、前記第１の補正量から減算して第２の補正量を算出する減算手段と、前記第２の補正量に基づいて前記振れ補正手段を駆動制御する制御手段とを有することを特徴とする。

また、本発明は、本発明の振れ補正装置を具備した光学機器とするものである。

本発明によれば、通常動作時の画像の安定性を保ちながら、パンニング後の挙動を改善し、パンニング終了時にすぐに像振れ補正動作を開始することができる。

本発明を実施するための最良の形態は、後述する実施例１及び２に記載の通りである。

図１は本発明の実施例１の構成を示すブロック図である。図１において、図１０と同じ機能を有するものは同じ符号を付し、説明は省略する。１０８は第１の積分器１０７の出力からパンニング状態を検出し、パンニング制御の設定を行うパンニング制御部、１０９は第１の積分器１０７とは違う周波数特性を有する第２の積分器である。１１０は第２の積分器１０９の出力に対し、所定の減算係数をかける乗算器、１１１は第１の積分器１０７の出力と乗算器１１０の差分をとる加算器である。１１２は振れ補正動作を行うための補正手段、１１３は振れ補正全体の制御を行うマイコンである。なお、補正手段１１２は、電子式振れ補正の場合には図１０に示されるようなＣＣＤ駆動回路１００３やメモリ制御回路１００７である。また、光学式振れ補正の場合には補正レンズ、可変頂角プリズム、光軸垂直方向に移動可能な撮像素子、およびその駆動回路である。

図２は、本実施例１におけるマイコン１１３の動作を示すフローチャートである。

以下、図１、図２を基に、本発明の実施例１について詳細に説明する。

図２において、ステップＳ２０１では、Ａ／Ｄ変換器１０４により、角速度データを取り込む。ステップＳ２０２ではＨＰＦ１０５の演算を行っている。ステップＳ２０３では、位相補償フィルタ１０６の演算、ステップＳ２０４では第１の積分器１０７の演算を行う。次に、ステップＳ２０５で第２の積分器１０９の演算を行う。ステップＳ２０６は、実際に補正手段１１２を駆動するための補正値を演算する部分である。ステップＳ２０６にて算出された補正値は、ステップＳ２０７で補正手段１１２へ出力される。

図３は、ステップＳ２０６の動作詳細を示すフローチャートである。図３での処理は、図１におけるパンニング制御部１０８、乗算器１１０、加算器１１１による処理を示している。

以下、図３を基に、補正値算出方法について説明する。図３において、ステップＳ３０１は第１の積分器１０７の出力が予め定められた所定値Ｂを越えているかどうかを判定している。所定値Ｂは、補正可能範囲の補正端付近の値に設定されており、パンニング検出基準値である。所定値Ｂを超えている場合はステップＳ３０２にて第１の積分器１０７の出力結果に応じて減算係数Ｇを設定する。ここで、減算係数Ｇの値は、０＜Ｇ≦１の範囲になるようにしている。

図４は、減算係数Ｇの値を示した図である。第１の積分器１０７の出力が所定値Ｂを越えると、第１の積分器１０７の出力に応じて減算係数Ｇの値が増加し、最終的には１となるように設定される。

ステップＳ３０１で所定値Ｂ以上でなければ、ステップＳ３０３にて減算係数Ｇを０とする。そしてステップＳ３０４にて、第２の積分器１０９の出力に減算係数Ｇを乗算し、減算量Ｄを算出する。つまり、減算量Ｄは、第１の積分器１０７の出力の大きさに応じて設定される。第１の積分器１０７の出力が所定値Ｂより小さい場合には減算量は０となり、所定値Ｂ以上においては、その大きさに応じた減算量Ｄが算出される。

その後、ステップＳ３０５にて、第１の積分器１０７の出力から減算量Ｄを減算し、補正値を算出する。その結果、第１の積分器１０７の出力が所定値Ｂよりも小さい場合、補正値は第１の積分器１０７出力の値そのものとなる。また、第１の積分器１０７の出力が所定値Ｂよりも大きい場合は、その大きさに応じて、補正値が制限されることになる。

さて、この図３で示した処理を行った場合の補正動作であるが、第１の積分器１０７の出力（補正値）が図４で与えられた所定値Ｂになるまでは通常の処理が行われる。そして、パンニング動作により所定値Ｂを超えてさらに補正端に近づくと、減算係数Ｇに従って、第２の積分器１０９の出力の数％が補正値から減算されて、実際の補正値となる。この補正値は、第１の積分器１０７の出力に対して、ＤＣ成分が若干カットされた値となっている。第１の積分器１０７の出力が大きくなると、図４の減算係数Ｇに従って減算量Ｄも大きくなるため、減算後の補正値は、端近傍の値をとることになる。

さて、図５は、第１の積分器１０７と第２の積分器１０９の特性図を示している。図５からわかるように、ここでの積分器は理想的な積分器ではなく、利得（ゲイン）を持った低域通過フィルタとしている。理想的な積分器では、ＤＣ成分の利得が無限大になるため、実使用上の積分器は、通常このような特性となっている。第２の積分器１０９は、第１の積分器１０７に対してカットオフ周波数が低く設定されている。このため、第１の積分器１０７の出力が所定値Ｂよりも大きい場合の第２の積分器１０９の出力は、パンニング中のＤＣ成分を抽出したものとなる。第１の積分器１０７と第２の積分器１０９のゲインは等しく設定されている。

減算係数Ｇが大きくなり、減算量Ｄが多くなると、ＤＣ成分と共に、必要な補正帯域の信号も小さくなる。しかし、例えば減算係数Ｇが１００％の値となり、減算量Ｄが最大値となっても、振れ補正に必要な帯域である４〜１２Ｈｚの信号は除去されずに残るため、抑振性能は多少落ちるものの、その効果ははっきりとわかる状態となる。つまり、この方法により、パンニングによる補正端当たりを防止でき、かつ抑振性能の劣化も抑えることができるようになる。

図６は第２の積分器１０９の別の特性を示した図である。ここで、第２の積分器１０９は二次の特性を有している。この図６でもわかるように、第２の積分器１０９の特性を、減算しても振れ補正に必要な帯域信号が残るように設定すれば、同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、補正値を算出する第１の積分器１０７のほかに、第２の積分器１０９を設け、第１の積分器１０７の出力に応じて第２の積分器１０９から算出される減算量Ｄを、第１の積分器１０７の出力から減算する。そして、その結果を補正値とすることにより、通常制御時の振れ補正性能の安定性を保ちながら、パンニング後の挙動を改善することができるようになる。

次に、本発明の実施例２について説明する。ここでは、振れ補正動作に関して、特に低域特性を改善する方法を示している。

図７は、本発明の実施例２の構成を示すブロック図である。図７において、図１、図１０と同じ機能を有するものは同じ符号を付し、説明を省略する。図７において、パンニング制御部７０２は、実施例１と同じパンニング処理を行うと同時に、カットオフ周波数が変更可能となっている可変ＨＰＦ７０１の制御も行っている。７０３は実施例２の動作を処理するためのマイコンである。

図８は、実施例２におけるマイコン７０３の動作を示すフローチャートである。

以下、図７および図８を基に、実施例２について説明する。

図８において、ステップＳ８０１からステップＳ８０３までの処理は、図２のステップＳ２０１からステップＳ２０３までと同じ処理となっている。すなわち、Ａ／Ｄ変換器１０４、ＨＰＦ１０５、位相補償フィルタ１０６の演算をおこなっている。

ステップＳ８０４は可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を設定する部分である。ここで設定されるカットオフ周波数は、パンニング制御部７０２にて決定された値となる。初期値は、通常制御でのカットオフ周波数となっている。ステップＳ８０５ではステップＳ８０４にて決定されたカットオフ周波数にて、可変ＨＰＦ７０１の演算を行う。ステップＳ８０６では第１の積分器１０７の演算を行う。尚、図８におけるここまでの処理は、従来の処理と同様になっている。

次に、ステップＳ８０７で第２の積分器１０９の演算を行う。ステップＳ８０８では、第１の積分器１０７による演算結果、すなわちステップＳ８０６での演算結果が、予め定められた所定値Ａを超えているかどうかを判定している。所定値Ａは、所定値Ｂと同様に補正可能範囲の補正端付近の値に設定されており、パンニング検出基準値である。演算結果が所定値Ａよりも小さい場合は、ステップＳ８０９にて、可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を通常値に設定する。また、ステップＳ８０６での演算結果が所定値Ａ以上の場合はステップＳ８１０にて可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を演算結果に応じて設定する。その後、ステップＳ８１１にて実際に補正手段を駆動するための補正値を演算する。ここでの処理は、図２のステップＳ２０６と同じであり、図３で示されているものである。また、第２の積分器１０９の特性も実施例１と同様に図６や図７で与えられる。そして、ステップＳ８１２にて補正手段へ補正値を出力する。

以上のように、可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数をパンニング中かどうかで変更する処理を行うことにより、ＤＣ成分の増加を抑えることができるようになるため、ＨＰＦ１０５のカットオフ周波数を０．１Ｈｚ以下に設定することが可能となる。つまり、止まっている被写体を狙って撮影する場合の安定性を上げることができるようになる。

また、従来の方法であれば、パンニング検出時のＨＰＦカットオフ周波数は、２０Ｈｚ程度にまであげてＤＣ成分をカットすることによりセンタリング動作およびパンニング後のゆり戻し動作を軽減していた。しかし、実施例１と同様に、第２の積分器１０９の出力を補正値から減算する処理により、可変ＨＰＦ７０１のカットオフ周波数を従来のカットオフ周波数設定値に比べて抑振効果が十分得られる０．５〜１．２Ｈｚ程度に設定することが可能となる。そのため、パンニング終了後もすぐに抑振効果が得られるようにできる。

以上説明したように、第１の積分器１０７の出力に応じて、前記減算量Ｄを変更し、かつ、パンニング検出時に可変ＨＰＦ７０１の特性も併せて変更することで、パンニング後の挙動を改善すると共に、通常撮影時の安定性を向上させることが可能となる。

本発明の実施例１の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１のマイコンの動作を示すフローチャートである。 図３の補正値演算処理を示すフローチャートである。 減算係数特性を示す図である。 第１および第２の積分器の特性を示す図である。 第２の積分器の別の特性を示す図である。 本発明の実施例２の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例２のマイコンの動作を示すフローチャートである。 従来例でのジャイロ出力とＨＰＦ出力を比較する図である。 従来例の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１ 角速度センサ
１０２，１０５ 高域通過フィルタ
１０３ アンプ
７０１ カットオフ周波数可変の高域通過フィルタ
１０７ 第１の積分器
１０８，７０２ パンニング制御部
１０９ 第２の積分器
１１０ 乗算器
１１１ 加算器
１１２ 補正手段
１１３，７０３ マイコン

Claims (8)

1. 撮像光学系によって結像された光学像のぶれを補正する振れ補正装置であって、振れを検出する振れ検出手段と、
   前記振れによる前記光学像のぶれを補正する振れ補正手段と、
   前記振れ検出手段の出力に基づいて第１の補正量を演算する演算手段と、
   前記振れ検出手段の出力に基づいて、直流成分を抽出する抽出手段と、
   前記演算手段の出力がパンニング検出基準値より大きいかを判定し、前記演算手段の出力がパンニング検出基準値より大きい場合は、前記第１の補正量に基づいて０より大きく１以下の範囲で減算係数を算出する算出手段と、
   前記直流成分に前記減算係数を乗算した減算量を算出し出力する乗算手段と、
   前記乗算手段によって乗算された減算量を、前記第１の補正量から減算して第２の補正量を算出する減算手段と、
   前記第２の補正量に基づいて前記振れ補正手段を駆動制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする振れ補正装置。
2. 前記振れ検出手段は角速度センサであり、前記演算手段は第１の積分手段を含み、前記抽出手段は第２の積分手段を有し、前記第１の積分手段および第２の積分手段は、一定の利得を有する低域通過フィルタによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の振れ補正装置。
3. 前記第２の積分手段は、カットオフ周波数が前記第１の積分手段のカットオフ周波数より低いことを特徴とする請求項２に記載の振れ補正装置。
4. 前記第１および第２の積分手段の利得は互いに等しいことを特徴とする請求項２または３に記載の振れ補正装置。
5. 前記算出手段は、前記演算手段の出力がパンニング検出基準値より小さい場合は、前記減算係数を０とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の振れ補正装置。
6. 前記算出手段は、前記演算手段の出力が前記パンニング検出基準値より大きい場合は、前記パンニング検出基準値を超えた量に応じて、前記減算量を０より大きく１以下の範囲で該第１の補正量に応じて異なる値とすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の振れ補正装置。
7. カットオフ周波数が変更できる低域遮断フィルタと、前記演算手段の出力に基づいて前記低域遮断フィルタのカットオフ周波数を変更する変更手段とを有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の振れ補正装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の振れ補正装置を具備することを特徴とする光学機器。

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